894: Aprendizagem de máquina classifica automaticamente 1.000 super-novas

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

A posição, no céu, das super-novas classificadas automaticamente pelo SNIascore.
Crédito: Caltech

As instalações astronómicas de hoje varrem o céu nocturno cada vez mais profunda e rapidamente do que nunca. A identificação e classificação de eventos cósmicos conhecidos e potencialmente interessantes está a tornar-se impossível para um ou um grupo de astrónomos.

Portanto, cada vez mais treinam computadores para fazer o trabalho por eles. Os astrónomos da colaboração ZTF (Zwicky Transient Facility) no Caltech anunciaram que o seu algoritmo de aprendizagem de máquina já classificou e relatou 1000 super-novas de forma completamente autónoma.

“Precisávamos de uma ajuda e sabíamos que uma vez que treinássemos os nossos computadores para fazer o trabalho, eles iriam tirar-nos uma grande carga das costas”, diz Christoffer Fremling, astrónomo do Caltech e o cérebro por trás do novo algoritmo, apelidado de SNIascore.

“O SNIascore classificou a sua primeira super-nova em Abril de 2021 e um ano e meio depois estamos a atingir um belo marco de 1000 super-novas sem qualquer envolvimento humano”.

Muitas das questões científicas actuais e mais excitantes que os astrónomos estão a tentar responder exigem que eles recolham grandes amostras de diferentes eventos cósmicos.

Como resultado, os observatórios astronómicos modernos tornaram-se incansáveis máquinas geradoras de dados que lançam dezenas de milhares de alertas e imagens aos astrónomos todas as noites.

Isto é particularmente verdade no campo da astronomia no domínio do tempo, em que os investigadores procuram objectos em rápida mudança, ou transientes, tais como estrelas em explosão ou moribundas conhecidas como super-novas, buracos negros que comem estrelas em órbita, asteróides e muito mais.

“A noção tradicional de um astrónomo sentado no observatório a ‘peneirar’ imagens telescópicas carrega muito romanticismo, mas está a afastar-se da realidade”, diz Matthew Graham, cientista do projecto ZTF do Caltech.

Para além de libertar tempo para os astrónomos perseguirem outras questões científicas, o algoritmo de aprendizagem de máquina é muito mais rápido na classificação de potenciais candidatos a super-nova e a partilhar os resultados com a comunidade astronómica.

Com o SNIascore o processo é encurtado de 2-3 dias para 10 minutos, ou quase em tempo real. Esta identificação precoce de explosões cósmicas é muitas vezes crítica para melhor estudar a sua física.

“O SNIascore situa-se em cima de outros algoritmos de aprendizagem de máquina e camadas subjacentes que desenvolvemos para o ZTF, e demonstra bem como as aplicações de aprendizagem de máquina estão a amadurecer na astronomia quase em tempo real”, diz Ashish Mahabal, cientista computacional do CD3 (Center for Data-Driven Discovery) do Caltech, que lidera as actividades de aprendizagem de máquina para o ZTF.

Por agora, o SNIascore só pode classificar o que é conhecido como super-novas do Tipo Ia, ou as “velas padrão” utilizadas pelos astrónomos para medir o ritmo de expansão do Universo. Estas são estrelas moribundas que explodem numa explosão termonuclear de força consistente.

No entanto, Christoffer e colegas estão a trabalhar arduamente na ampliação das capacidades do algoritmo para classificar outros tipos de super-novas num futuro próximo.

O SNIascore está actualmente adaptado para trabalhar com o espectrógrafo SEDM (Spectral Energy Distribution Machine), alojado numa cúpula a apenas algumas centenas de metros de distância da câmara ZTF no Observatório Palomar.

O ZTF varre continuamente o céu e envia todas as noites centenas de milhares de alertas de potenciais transientes cósmicos a astrónomos de todo o mundo. O espectrógrafo SEDM é accionado para acompanhar e observar os mais promissores.

Produz um espectro do evento cósmico que transporta informação sobre a intensidade das várias frequências da luz captada pela câmara do telescópio. Este espectro é o que pode dizer definitivamente aos astrónomos que tipo de evento está a ser observado.

Utilizando técnicas inteligentes de aprendizagem de máquina, a equipa de Christoffer treinou o SNIascore para ler os espectros de SEDM de forma notável.

“O SNIascore é incrivelmente preciso. Depois de 1000 super-novas, vimos como o algoritmo funciona no ‘mundo real’ e não tivemos uma classificação claramente errada desde o seu lançamento em Abril de 2021. Isto dá-nos a confiança para avançar e implementar o mesmo algoritmo noutras instalações de observação”, acrescentou Fremling.

Ele e colegas estão actualmente a adaptar o SNIascore para trabalhar com o próximo espectrógrafo SEDMv2 montado no telescópio de 2,1 metros no Observatório Kitt Peak no estado norte-americano do Arizona.

O SEDMv2 será a versão avançada do SEDM e permitirá a detecção e classificação de super-novas mais fracas. Actualmente, o SNIascore classifica em média duas super-novas por noite. Com o SEDMv2 este número pode potencialmente duplicar.

As vantagens do SNIascore vão além da construção rápida e fiável de grandes conjuntos de dados de super-novas. Os astrónomos que procuram outros eventos transientes podem agora rapidamente excluir candidatos classificados pelo SNIascore como super-novas, de tal forma que não se desperdiça tempo de telescópio a segui-los quando o alvo são efectivamente outros tipos de explosões cósmicas.

Outros esforços de classificação de eventos transientes também usam aprendizagem de máquina, mas dependem apenas da chamada “curva de luz” do evento ou da quantidade de luz vista pelo telescópio como uma evolução do tempo.

O SNIascore tem a vantagem de ter sido treinado a utilizar informação espectroscópica, a única forma robusta de confirmar a natureza da maioria dos fenómenos transientes. O algoritmo é de código aberto e outros grupos podem adaptá-lo às suas próprias instalações telescópicas.

“A parte mais desafiante na implementação do SNIascore foi o treino do algoritmo. Foi necessário que os humanos verificassem cuidadosamente as imagens e construíssem um impecável conjunto de dados de treino.

Depois de 1.000 super-novas classificadas automaticamente, olhando para trás, penso que valeu inteiramente a pena o esforço”, diz Fremling.

O SNIascore foi desenvolvido como parte do BTS (Bright Transient Survey) do ZTF – actualmente, o maior levantamento de super-novas disponível para a comunidade astronómica. Todo o conjunto de dados BTS tem perto de 7000 super-novas, 90% das quais foram descobertas e classificadas pelo ZTF (10% foram contribuições de outros grupos e instalações).

“A nossa ambição é continuar a fazer crescer o conjunto de dados BTS com a ajuda do SNIascore para, no futuro, construir a mais compreensiva amostra de super-novas que os astrónomos podem utilizar para responder a questões fundamentais da cosmologia, tais como a rapidez com que o Universo se está a expandir e para mapear potencialmente a distribuição de matéria escura e a estrutura em grande escala do Universo”, acrescentou Fremling.

Astronomia On-line
25 de Novembro de 2022



 

624: Hubble trabalhou 15 horas para mostrar algo incrível na galáxia NGC 7038

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/GALÁXIAS

O Telescópio Espacial Hubble continua a ser um dos equipamentos que mais novidades nos mostra do Universo. Como tal, a Agência Espacial Europeia (ESA) revelou uma nova imagem do Telescópio Hubble. Falamos da fotografia da galáxia NGC 7038.

Esta galáxia, que está a 220 milhões de anos-luz da Terra, tem uma estrutura espiral muito particular, até algo hipnótica. Além disso, os cientistas usam a NGC 7038 como chave para calibrar os métodos de medição de distâncias no Universo.

A Nova Galáxia do Catálogo Geral 7038 (NGC 7038) está localizada a cerca de 67,45 milhões parsecs de nós. A última imagem do Hubble mostra-a com detalhes invulgares. A galáxia, também conhecida pelos nomes ESO 286-79 e LEDA 66414 (nenhum dos quais memorável) foi descoberta pelo astrónomo John Herschel há quase dois séculos, em 1834.

O Hubble passou 15 horas do seu tempo a observar esta galáxia. A razão de tal atenção, tal como já referimos, é que a NGC 7038 pode ser utilizada para calibrar duas das formas em que medimos a distância às galáxias que nos rodeiam.

Uma escada para as estrelas

A escala de distância cósmica refere-se a uma série de mecanismos através dos quais medimos as distâncias entre o nosso planeta e os objectos no cosmos. Cada passo representa um método com uma gama associada de distâncias.

Se olharmos para esta escala como uma escada, nos primeiros degraus encontramos a paralaxe, um método geométrico que aproveita a órbita da Terra em torno do Sol para estimar a distância de estrelas e outros objectos dentro do nosso ambiente galáctico.

No fundo da escada, para calcular a distância até às galáxias mais distantes do Universo conhecido, temos a lei de Hubble e o redshift.

Ao contrário de uma escala normal, na escala de distância cósmica temos alguma sobreposição entre os diferentes degraus. Isto permite-nos calibrar uma medida com as anteriores em sequência.

Esta é a razão da atenção especial prestada pelo Hubble a esta galáxia, que se situa numa área que liga duas das medições mais comummente utilizadas nesta escala: as super-novas tipo 1 e as variáveis ​​Cefeidas.

Ilustração de estrelas variáveis ​​Cefeidas

Velas padrão e variáveis ​​Cefeidas

As variáveis ​​Cefeidas pertencem ao conjunto de medidas conhecidas como velas padrão. São objectos de luminosidade regular e, portanto, calculáveis. Isso permite que a sua distância seja medida com base em como essa luminosidade chega aos nossos céus, ou seja, de acordo com a sua magnitude.

As ​​Cefeidas são um tipo de estrela que “pulsa”, ou seja, cujo brilho muda em intervalos regulares, como se tivesse um batimento cardíaco. No início do século XX, a astrónoma americana de Harvard, Henrietta Swan Leavitt, famosa pelo seu trabalho sobre estrelas variáveis, estimou a relação entre a sua luminosidade e o período ou frequência com que estes pulsos ocorreram.

Isto tornou possível calcular a distância a que estes objectos se encontravam, com base no período em que pulsavam e na sua magnitude quando observados a partir da Terra. Um século após esta descoberta, estas estrelas ainda são úteis para medir as distâncias de uma multidão de objectos a distâncias intermédias no universo conhecido.

Aliás, a descoberta foi tão importante que valeu a Leavitt uma nomeação para o Prémio Nobel, embora, tendo chegado após a sua morte, tenha ficado de fora das nomeações finais.

Os braços em espiral da galáxia NGC 7038 ventam languidamente através desta imagem do Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA. O NGC 7038 situa-se a cerca de 220 milhões de anos-luz da Terra na Indus da constelação do Sul. Esta imagem retrata uma visão especialmente rica e detalhada de uma galáxia em espiral, e expõe um enorme número de estrelas e galáxias distantes à sua volta. Isto porque é feita de um tempo combinado de 15 horas de Hubble focado na NGC 7038 e recolhendo luz. Tantos dados indicam que este é um alvo valioso, e de facto, a NGC 7038 tem sido particularmente útil para astrónomos que medem distâncias a vastas escalas cósmicas.

As Super-novas

Algumas estrelas (aquelas com massas semelhantes ao nosso Sol) tornam-se anãs brancas no fim das suas vidas. Quando estão num sistema binário, a anã branca pode começar a atrair alguns dos seus companheiros. Isto faz com que a sua massa aumente gradualmente, até atingir um ponto crítico.

Nesse momento, a anã branca explode na forma visível de galáxias distantes, uma super-nova do tipo Ia. Tal como as Cefeidas, é possível aos astrónomos calcular a sua distância com base na luz que nos chega delas. O facto de estas explosões poderem ser vistas de muito mais longe do que as Cefeidas torna-as um passo útil para além das Cefeidas.

Hubble recusa-se a aceitar o fim da sua vida

O Hubble faz jus ao seu nome, pois o trabalho de Edwin Hubble e do telescópio epónimo está intimamente ligado à medição do que nos rodeia no universo e à forma como se move em relação a nós.

Não se pode dizer que os anos não tenham passado Hubble, mas o telescópio orbital veterano continua a fornecer-nos imagens e dados vitais para a exploração espacial. O seu trabalho, agora em conjunto com o Telescópio James Webb, continua a ser útil, e a NASA já está a considerar propostas para prolongar a sua vida útil.

Pplware
Autor: Vítor M
07 Nov 2022



 

537: O ESO captura o fantasma de uma estrela gigante

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/ESO

Uma teia de aranha fantasmagórica, dragões mágicos ou finos traços de fantasmas? O que é que estamos a ver nesta imagem do remanescente da super-nova da Vela? Esta bela tapeçaria de cores, que foi capturada com grande detalhe pelo VLT Survey Telescope, instalado no Observatório do Paranal do ESO, no Chile, mostra os restos fantasmagóricos de uma estrela gigantesca.

Esta fina estrutura de nuvens rosa e laranja é tudo o que resta de uma estrela massiva que terminou a sua vida numa enorme explosão há cerca de 11 mil anos atrás. Quando as estrelas mais massivas chegam ao fim das suas vidas, geralmente explodem violentamente num evento chamado super-nova.

Estas explosões provocam ondas de choque que se deslocam pelo gás circundante, comprimindo-o e criando intrincadas estruturas filamentares. A energia libertada aquece os tentáculos gasosos, fazendo-os brilhar intensamente, como podemos ver na imagem.

Nesta imagem de 554 milhões de pixeis, temos uma vista extremamente detalhada do remanescente da super-nova da Vela, assim designada pela sua localização na constelação austral da Vela.

Caberiam nove luas cheias nesta imagem e a nuvem completa é ainda maior. Situado a apenas 800 anos-luz de distância da Terra, este remanescente de super-nova é um dos mais próximos que conhecemos.

Quando explodiu, as camadas mais exteriores da estrela progenitora foram ejectadas no gás circundante, dando origem a estes filamentos. O que resta da estrela é apenas uma bola ultra densa onde protões e electrões são forçados a juntar-se em neutrões — uma estrela de neutrões.

A estrela de neutrões do remanescente da Vela, que se encontra ligeiramente fora da imagem no canto superior esquerdo, é uma pulsar que roda sobre o seu próprio eixo à incrível velocidade de mais de 10 vezes por segundo.

Esta imagem trata-se de um mosaico de observações obtidas com a câmara de grande campo OmegaCAM, montada no VLT Survey Telescope (VST), no Observatório do Paranal do ESO, no Chile.

A câmara de 268 milhões de pixeis pode obter imagens através de vários filtros que deixam passar luz de diferentes cores. Nesta imagem particular do remanescente da Vela foram usados quatro filtros diferentes, aqui representados por uma combinação de magenta, azul, verde e vermelho.

O VST pertence ao Instituto Nacional de Astrofísica italiano, INAF, e com o seu espelho de 2,6 metros é um dos maiores telescópios dedicados ao rastreio do céu nocturno no visível. Esta imagem é um exemplo de um tal rastreio: o VPHAS+ (VST Photometric Hα Survey of the Southern Galactic Plane and Bulge).

Durante cerca de sete anos, este rastreio mapeou uma área considerável da nossa Galáxia, permitindo aos astrónomos compreender melhor como é que as estrelas se formam, evoluem e eventualmente morrem.

Informações adicionais

O Observatório Europeu do Sul (ESO) ajuda cientistas de todo o mundo a descobrir os segredos do Universo, o que, consequentemente, beneficia toda a sociedade. No ESO concebemos, construimos e operamos observatórios terrestres de vanguarda — os quais são usados pelos astrónomos para investigar as maiores questões astronómicas da nossa época e levar ao público o fascínio da astronomia — e promovemos colaborações internacionais em astronomia.

Estabelecido como uma organização intergovernamental em 1962, o ESO é hoje apoiado por 16 Estados Membros (Alemanha, Áustria, Bélgica, Dinamarca, Espanha, Finlândia, França, Irlanda, Itália, Países Baixos, Polónia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suécia e Suíça), para além do Chile, o país de acolhimento, e da Austrália como Parceiro Estratégico.

A Sede do ESO e o seu centro de visitantes e planetário, o Supernova do ESO, situam-se perto de Munique, na Alemanha, enquanto o deserto chileno do Atacama, um lugar extraordinário com condições únicas para a observação dos céus, acolhe os nossos telescópios. O ESO mantém em funcionamento três observatórios: La Silla, Paranal e Chajnantor.

No Paranal, o ESO opera o Very Large Telescope e o Interferómetro do Very Large Telescope, assim como telescópios de rastreio, tal como o VISTA. Ainda no Paranal, o ESO acolherá e operará o Cherenkov Telescope Array South, o maior e mais sensível observatório de raios gama do mundo.

Juntamente com parceiros internacionais, o ESO opera o APEX e o ALMA no Chajnantor, duas infra-estruturas que observam o céu no domínio do milímetro e do submilímetro. No Cerro Armazones, próximo do Paranal, estamos a construir “o maior olho do mundo voltado para o céu” — o Extremely Large Telescope do ESO.

Dos nossos gabinetes em Santiago do Chile, apoiamos as nossas operações no país e trabalhamos com parceiros chilenos e com a sociedade chilena.

ESO-European South Observatory
eso2214pt — Foto de Imprensa
31 de Outubro de 2022



 

506: Há uma “estrela estranha” cuja origem está a inquietar os cientistas

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

NASA/CXC/U. Texas

A estrela de neutrões em causa está no centro de um remanescente de super-nova chamado HESS J1731-347.

Um objecto relativamente pequeno e denso, camuflado dentro de uma nuvem própria explodida, encontra-se a apenas alguns milhares de anos-luz de distância, desafiando a compreensão dos cientistas no que respeita física estelar.

Os vários relatos parecem sugerir que se trata de uma estrela de neutrões, embora seja uma estrela invulgar. Com apenas 77% da massa do Sol, é a massa mais baixa alguma vez medida para um objecto da sua espécie.

Anteriormente, a estrela de neutrões mais leve alguma vez medida era 1,17 vezes a massa do Sol.

Esta descoberta mais recente não é apenas menor, é significativamente inferior à massa mínima da estrela de neutrões prevista pela teoria. Isto sugere ou que existe alguma falha na nossa compreensão destes objectos ultra-densos… ou o que estamos a ver não é de todo uma estrela de neutrões, mas um objecto peculiar, nunca antes visto, conhecido como uma estrela “estranha”.

As estrelas de neutrões estão entre os objectos mais densos de todo o Universo. São o que resta após uma estrela maciça entre cerca de 8 e 30 vezes a massa do Sol ter chegado ao fim da sua vida.

Quando a estrela fica sem material para se fundir no seu núcleo, vai para a super-nova, ejectando as suas camadas exteriores de material para o Espaço, relata o Science Alert.

Já não apoiado pela pressão externa da fusão, o núcleo colapsa em si mesmo para formar um objecto tão denso, os núcleos atómicos esmagam-se juntos e os electrões são forçados a conviver proximamente com protões por tempo suficiente para se transformarem em neutrões.

A maioria destes objectos compactos são cerca de 1,4 vezes a massa do Sol, embora a teoria diga que poderiam variar desde algo tão maciço como cerca de 2,3 massas solares, até apenas 1,1 massas solares.

Tudo isto embalado dentro de uma esfera apenas 20 quilómetros de largura, fazendo com que cada colher de chá cheia de material estelar de neutrões pese entre 10 milhões e vários biliões de toneladas.

Estrelas com massas superiores e inferiores às estrelas de neutrões podem também transformar-se em objectos densos. Estrelas mais pesadas transformam-se em buracos negros.

Estrelas mais leves transformam-se em anãs brancas – menos densas do que as estrelas de neutrões, com um limite de massa superior de 1,4 massas solares, embora ainda bastante compactas. Este é o destino final do nosso próprio Sol.

A estrela de neutrões em causa está no centro de um remanescente de super-nova chamado HESS J1731-347, que tinha sido previamente calculado para se sentar a mais de 10.000 anos-luz de distância.

Uma das dificuldades no estudo das estrelas de neutrões reside, no entanto, em medições de distância mal condicionadas. Sem uma distância precisa, é difícil obter medições precisas das outras características de uma estrela.

Recentemente, uma segunda estrela, opticamente brilhante, foi descoberta à espreita no HESS J1731-347. A partir disto, utilizando dados do levantamento cartográfico de Gaia, uma equipa de astrónomos liderada por Victor Doroshenko da Universidade Eberhard Karls de Tübingen, na Alemanha, conseguiu recalcular a distância ao HESS J1731-347, e descobriu que está muito mais perto do que se pensava, a cerca de 8.150 anos-luz de distância.

Isto significa que as estimativas anteriores das outras características da estrela de neutrões precisavam de ser refinadas, incluindo a sua massa. Combinado com observações da luz de raios X emitida pela estrela de neutrões (inconsistente com a radiação X de uma anã branca),

Doroshenko e os seus colegas conseguiram refinar o seu raio para 10,4 quilómetros, e a sua massa para uma massa solar absolutamente baixa de 0,77 massas solares.

Isto significa que pode não ser de facto uma estrela de neutrões como a conhecemos, mas um objecto hipotético ainda não identificado positivamente na natureza.

“A nossa estimativa de massa torna o objecto central compacto em HESS J1731-347 a estrela de neutrões mais leve conhecida até à data, e potencialmente um objecto mais exótico – ou seja, um candidato a estrela ‘estranha‘”, escrevem os investigadores no seu artigo.

Segundo a teoria, uma estranha estrela parece-se muito com uma estrela de neutrões, mas contém uma maior proporção de partículas fundamentais chamadas quarks estranhos. Os quarks são partículas subatómicas fundamentais que se combinam para formar partículas compostas, tais como prótons e neutrões.

Os quarks vêm em seis tipos diferentes, ou sabores, chamados de up, down, charme, strange, top, e bottom. Os prótons e os neutrões são compostos por quarks para cima e para baixo.

A teoria sugere que, no ambiente extremamente comprimido dentro de uma estrela de neutrões, as partículas subatómicas decompõem-se nos seus quarks constituintes.

Sob este modelo, estranhas estrelas são feitas de matéria que consiste em proporções iguais de quarks para cima, para baixo, e estranhos.

Estrelas estranhas devem formar-se sob massas suficientemente grandes para realmente se apertarem, mas como o livro de regras para estrelas de neutrões sai pela janela quando se envolvem quarks suficientes, também não há essencialmente nenhum limite inferior. O que significa que não podemos descartar a possibilidade de esta estrela de neutrões ser, de facto, uma estrela estranha.

“Os constrangimentos na massa e raio são ainda totalmente consistentes com uma interpretação padrão de estrela de neutrões e podem ser utilizados para melhorar os constrangimentos astrofísicos na equação do estado da matéria densa fria sob esta suposição”, escrevem os investigadores.

“Uma tal estrela de neutrões leves, independentemente da composição interna assumida, parece ser um objecto muito intrigante de uma perspectiva astrofísica”.

  ZAP //
28 Outubro, 2022